外加Cd處理下不同作物品種Cd吸收與分配的基因型差異

鄭艷梅 ，扈新瑩，陳　喜，史　靜

(1.昆明市民辦科技機構管理處，云南 昆明 650041；2.云南農業大學資源與環境學院，昆明長水國際機場動力能源部，云南 昆明 650201)

?

外加Cd處理下不同作物品種Cd吸收與分配的基因型差異

鄭艷梅1，扈新瑩2，陳喜2，史靜1

(1.昆明市民辦科技機構管理處，云南 昆明 650041；2.云南農業大學資源與環境學院，昆明長水國際機場動力能源部，云南 昆明 650201)

采用溶液培養法，研究了Cd脅迫下16種云南主栽作物的Cd分配、累積以及根部和地上部對Cd的富集之間的相關性。結果表明：供試作物地上部和根部的Cd含量與溶液中的Cd含量密切相關，供試作物之間對Cd的耐性差異明顯。高濃度Cd處理抑制供試作物的生長，其根系能夠大量富集Cd。不同供試作物類型對Cd的富集存在差異，各供試作物類型之間對Cd的富集從高到低為烤煙>蔬菜類>油料類>禾谷類，各供試作物品種之間又存在明顯的種間差異。低濃度Cd處理5μmol/L時，蔬菜類作物4號作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31mg/kg，油料作物15號作物花油6號(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，禾谷類作物10號作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23mg/kg，符合Cd在食品中的國家安全標準，因此上述3種作物在低濃度Cd脅迫下表現出低富集能力，為低Cd污染土壤的安全高效利用提供了依據。

鎘處理；作物品種；吸收與分配；基因型差異

0　引言

土壤重金屬污染問題是當今土壤科學與環境科學研究的焦點之一，其中重金屬元素鎘(Cadmium, Cd)是污染面積最大、在人類活動影響下、在地表環境中釋放和在土壤-作物-人體食物鏈中遷移較為活躍的元素，對動植物和人類具有較大毒性[1]。我國農田土壤環境中Cd的全量和有效態含量不斷升高[2]，農田Cd污染問題嚴峻，有研究指出全國Cd污染比較嚴重的農田面積可能達13.3萬hm2[3]。當前，我國土壤重金屬污染及由此引發的蔬菜安全問題較為嚴重[4]，目前與礦產資源相關的工業活動及污灌等活動已經導致干旱區綠洲土壤出現了不同程度的Cd-Zn 污染，近年來Pb亦隨著許多工業活動不斷進入土壤[5.6]。而在我國人多地少耕地資源相對不足的前提下，進行農田土壤Cd污染修復，徹底改變污染耕地的利用屬性不具備現實可行性。

Cd 是生物遷移性很強的元素，極易被植物吸收并積累，超過一定限度不僅嚴重影響作物的產量和品質，且會通過食物鏈富集危害人體健康。人類對重金屬Cd的吸收途徑主要以土壤-作物-食品-人體遷移為主[7]，由于Cd毒害的機制是漸進性地干擾體內腎代謝功能和骨骼形成，即使是低劑量的水平下，長期的暴露對人類健康也有嚴重的威脅。因而生長于土壤中的農產品中的Cd水平直接影響到人類健康。

植物對Cd的吸收積累存在種內和種間差異已得到越來越多的證實。植物對Cd脅迫的耐受性和Cd在植物體內的累積性都存在明顯的種間和種內差異[8-10]。因此導致植物生物量顯著降低的環境或植物體內Cd的臨界值在不同物種或品種間存在很大差異；同樣，在環境Cd濃度相同的情況下，不同物種或品種植體內的Cd含量也會有很大差異。據Clarke等報道，一些作物，如玉米、普通小麥、硬粒小麥等作物籽粒中的Cd含量都具有遺傳變異現象。還發現硬粒小麥籽粒Cd含量主要受單基因控制，低Cd含量為顯性，因此很容易在育種中進行遺傳操縱。水稻的品種及基因型對Cd在土壤-稻米的遷移具有重要的影響。

在我國人多地少耕地資源相對不足的前提下，進行農田土壤Cd污染修復，徹底改變污染耕地的利用屬性不具備現實可行性，農田Cd污染土壤的處理應采用農業生態整治與安全高效利用策略[3]。工作思路為將農田輕度Cd污染土壤作為一種特殊農業資源，通過利用耐污染力強、經濟價值高的作物，取代污染敏感作物，在污染農區構造新的生產經營模式，使污染土地資源在農業領域重新獲得安全而高效益的利用。

本研究對云南省農田栽培的主要作物的耐Cd污染性能進行分析，篩選出對土壤Cd吸收量少或向可食部分分配比例低的作物品種，提出Cd污染農田土壤上Cd低累積品種選育的重要性，以期為Cd污染農區合理調整種植制度，建立抗污染的高效生態經濟模式提供科學依據。

1　材料與方法

1.1材料培養

供試種子選取云南省農田主栽作物品種。作物類型主要包括蔬菜作物(生菜、白菜)、禾谷類作物(水稻、麥類、玉米)、油料作物(油菜、大豆)等。具體供試作物品種編號見表1。

表1　作物品種及編號

將供試種子先用清水浸種2h，然后再用50%的多菌靈800倍液浸泡20min，用清水沖洗3次。用自來水浸種24h后，于25℃恒溫培養箱中催芽。待種子露白，挑選出芽一致的種子，用鑷子小心地移入裝有基質的育苗盤中。向盤中撒清水，并將育苗盤放入自來水中靜置2d。將育苗盤移入含Hoagland營養液的20L容器中。Hoagland營養液的組成為1mol/L Ca(NO3)2、1mol/L KNO3、1mol/L MgSO4·7H2O、1mol/L KH2PO4、1mol/L Fe-EDTA、1mol/L H3BO3、1mol/L CuSO4·5H2O、1mol/L ZnSO4·7H2O、1mol/L MnCl2·4H2O、H2MnO4·H2O。培養7d后，分別進行不同濃度的Cd處理。Cd的濃度設置為：0、5、10、25、50μmol/L。含Cd的營養液用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl 調節pH至5.5～6.5。每天進行攪動充氧，每3d更換1次營養液。

1.2測試方法

供試作物中Cd的含量測定：將供試作物的地上部和根部分開取樣，先用自來水清洗，再用超純水清洗3次，105℃殺青20min，60℃烘干，用不銹鋼粉碎機粉碎，過0.25mm尼龍篩。用HNO3-HClO4混合液消解煮。用火焰原子吸收光譜儀測定地上部和根系的Cd含量。原子吸收分光光度計為AA1700型原子吸收分光光度計。

2　結果與討論

2.1不同濃度Cd脅迫下不同類型供試作物對Cd的積累

不同濃度Cd脅迫下不同作物類型對Cd的累積量情況見圖1～圖5。可見，隨著Cd添加濃度的升高，供試作物體內Cd的積累量均有不同程度增大，但在50μmol/L Cd溶液的處理下，由于生物量大幅度減小，積累量也降低。同時，根部Cd的積累量顯著高于地上部Cd的積累量，這說明供試作物對Cd的吸收具有生物屏障的作用，一般認為重金屬耐性品種更多地將重金屬儲存在根部，而敏感性品種則將重金屬運輸到地上部[7]。因此可以看出，供試品種多為耐Cd性作物。

不同濃度Cd處理下，Cd的累積量在不同的作物類型之間差異明顯。地上部分蔬菜類Cd的積累量在0.05～76.26μg/株，禾谷類Cd的積累量在0.04～40.33μg/株，油料作物及烤煙Cd的積累量在0.06～109.96μg/株，因此，在不同作物類型之間，禾谷類作物地上部分Cd的累積量最低，是最耐Cd的作物類型。

在禾谷類作物中，高濃度Cd處理下作物地上部分Cd的積累量在14.9～40.33μg/株，因此對Cd的積累存在明顯的種間差異。5號作物滬糯88(玉米)在高濃度Cd處理下，Cd的積累量為14.9μg/株，是最耐Cd的作物品種。

2.2不同濃度Cd處理在各供試作物體內的分配效應

在不同的Cd處理濃度下，各供試作物的地上部和根部的Cd大量富集。從圖6～圖8可以看出，各供試作物的根系可以富集大量的Cd，且富集量遠遠大于地上部的富集量。這個結果與對3種農作物中鎘積累的研究結果一致[11]。各供試作物各部分的Cd含量與溶液中Cd的添加濃度密切相關。由于Cd在不同作物體內的運轉速率及分布特征不同，由圖6～圖8可知，不同作物類型單位組織對Cd的吸收量的吸收順序為：禾谷類<油料類<蔬菜類。

具體到各種作物類型來看，蔬菜類作物在低Cd處理濃度5μmol/L時，4號作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31mg/kg，符合國家安全標準，為食用及種植安全作物。禾谷類作物在低Cd處理濃度5μmol/L時，10號作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23mg/kg，符合國家安全標準，為食用及種植安全作物。油料作物及烤煙在低Cd處理濃度5μmol/L時，15號作物花油6號(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，符合國家安全標準，為食用及種植安全作物。

2.3供試作物地上部分吸收量和根部吸收量之間的相關性

圖9是供試作物地上部含Cd量和根部含Cd量的相關性分析。圖中可以看出各供試作物地上部的Cd富集量和根部的Cd富集量呈顯著正相關，隨著Cd處理濃度的增加，各供試作物的地上部和根部的Cd富集量也隨之呈明顯上升趨勢，顯著性明顯。

3　結論

(1)供試作物均為重金屬Cd的耐性植物，根部能富集大量的Cd，高濃度Cd脅迫下，根部Cd含量最高可達16.87mg/kg，最低達0.93mg/kg，其地上部和根部的Cd的富集量均隨著Cd處理濃度的增加而上升，并呈現良好的線性關系。隨著Cd處理濃度的增加，地上部和根部的生長均受到抑制，生物量都有不同程度的減少。

(2)供試作物之間的種間差異表現明顯，總體來說在高濃度Cd溶液的脅迫下，各供試作物類型之間的抗性對比結果為烤煙>蔬菜類>油料類>禾谷類，而各作物類型之間又分別有烤煙品種云煙87、蔬菜類作物意大利生菜F1、禾谷類作物水稻滇雜42以及油料作物蠶豆云豆8號在高濃度Cd溶液的脅迫下，依然表現出良好的抗性。

(3)供試作物地上部和根部的Cd含量與溶液中的Cd含量密切相關。溶液中Cd含量從5μmol/L增加到50μmol/L，地上部和根部的Cd含量隨之增加，達到了顯著水平，但處理間顯著性不同。根部Cd含量極顯著高于地上部，可見，根部對Cd的積累能力最強。在試驗中植株莖葉和根系Cd含量的高度相關性也說明了植株的不同部分的Cd積累特性是可以再現的。

(4)Cd在食品中的國家安全標準為0.5mg/kg，檢出的低濃度Cd處理5μmol/L時，蔬菜類作物4號作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31 mg/kg，油料作物15號作物花油6號(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，禾谷類作物10號作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23 mg/kg，符合國家標準，因此這3種供試作物均為食用及種植安全作物品種。在輕度Cd污染的土壤上可以考慮種植抗性最佳的3種作物。

[1] Chaney R L, Reeves P G, Ryan J A, et al. An improved understanding of soil Cd risk to humans and low cost methods to phytoextract Cd from contaminated soils to prevent soil Cd risks[J]. Biometals: an international journal on the role of metal ions in biology, biochemistry, and medicine, 2004(17): 549-553.

[2]潘根興, Chang A C, Page A L. 土壤-作物系統污染物遷移分配及其食物安全評價模型及其應用[J]. 應用生態學報, 2002, 13(7): 854-858.

[3]王凱榮.農田生態系統Cd污染研究[D].武漢:華中農業大學,2004.

[4]王兆煒,南忠仁,趙轉軍,等.干旱區綠洲土壤Cd、Pb單一與復合污染下芹菜重金屬累積特征研究[J].土壤通報,2011,42(5):1256-1262.

[5]楊一鳴,南忠仁,趙轉軍,等.干旱區污染綠洲土壤中Cd和Zn形態分布與生物有效性[J].蘭州大學學報(自然科學版),2010,46(1):59-64.

[6]黃璜,南忠仁,劉曉文,等.干旱區綠洲土壤中Cd,Pb,Zn形態分布與芹菜有效性[J].蘭州大學學報(自然科學版),2010.46(1):53-58.

[7]Chang A C, Pan G X, Page A L, et al. Human Health-related Chemical Guidelines for Reclaimed Water and Sewage Sludge Applications in Agriculture[R]. 2002.

[8]龔偉群, 李戀卿, 潘根興. 雜交水稻對Cd的吸收與籽粒積累-土壤和品種的交互影響[J].環境科學, 2006, 27(8): 1647-1653.

[9]王姍姍，張紅，王顏紅，等. 土壤類型與作物基因型對花生籽實鎘積累的影響[J]. 應用生態學報, 2012(8):2199-2204.

[10]丁楓華，劉術新，羅丹，等. 23種常見作物對鎘毒害的敏感性差異[J].環境科學，2011(1)：277-283.

[11]馮倩，臺培東，李培軍，等.三種農作物中鎘積累與全硫含量的關系[J]. 生態學雜志, 2009(3):461-465.

The Genotypic Differences in Cd Absorption and Distribution to Different Crops

ZHENG Yan-mei1, HU Xin-ying2,CHEN Xi2,SHI Jing1

(1.Kunming Municipal Management Office of Private Science and Technology Institution，KunmingYunnan 650041,China)

This paper studied the biomass, distribution, accumulation, and correlation analysis of Cd in shoots and roots of sixteen Yunnan's main crops by adding different concentration of Cd in the hydroponic culture. The results showed that Cd concentration in shoots and roots closely related to Cd. The tolerance of Cd was different in crops. High concentrations of Cd inhibited the crops from growing, and the root system was enriched abundant of Cd. Different cultivars absorbed different amount of Cd. The results showed that the ability of Cd accumulation in different cultivars was: tobaccos>vegetable crops>oil corps>cereal crops. The obvious differences between species were found. The minimum concentration of the number 4 crop was 0.31mg/Kg. The number 15 crop was 0.30mg/kg. The number 10 crop was 0.23mg/kg. The accumulation of Cd of these crops met the national food safety standards. Therefore, the above three crops were the strongest Cd tolerant crops in low Cd concentration.

cadmium; crop; uptake and distribution; genotypic difference

2015-12-31

國家自然科學基金 (41301349)；云南省應用基礎研究計劃項目 (2013FB043)。

史靜(1980-)，女，博士，副教授，主要從事土壤-植物體系重金屬遷移方面的研究。

X171

A

1673-9655(2016)05-0001-05